440 t/h循環流化床鍋爐脫硝優化提效改造研究

王 忠

(國家電投集團大連泰山熱電有限公司，大連 116021)

0 引 言

工業燃燒產生的煙氣主要成分之一——氮氧化物NOx，是導致光化學煙霧、酸雨和霧霾等一系列環境問題的主要空氣污染源的一種。為了滿足日益嚴格的排放標準，國內外眾多學者、企業和研究機構集中探索了許多方法如三聯催化、氮氧化物減量和儲存、選擇性催化還原煙氣脫硝(SCR)等以減少氮氧化物的排放。

2014年9月12日，國家發展改革委、環境保護部、國家能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》，要求新建和現役燃煤發電機組大氣污染物排放濃度應基本達到或接近燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3)。2017年9月，遼寧某熱電廠接到大連市環保局下發的《關于限期實施超低排放改造的通知》，要求限期完成超低排放改造。因而，遼寧某熱電廠進行了煙氣超低排放改造工程，改造后實現了超低排放，從而更好地保護環境。落實了國家環保政策的要求。

文中介紹了遼寧某熱電廠440 t/h CFB鍋爐脫硝優化提效改造的情況及改造后的具體效果，該低氮燃燒技術方案并在其余3臺鍋爐上得到了很好的應用。

1 設備現狀

遼寧某熱電廠現有2臺哈鍋制造的440 t/h 循環流化床鍋爐，采用了Alstom公司的超高壓參數中間再熱循環流化床技術。鍋爐總體型式為自然循環、單鍋筒、一次再熱、高溫絕熱旋風分離器、平衡通風、回料閥給煤、緊身封閉布置，配國產135 MW抽凝式汽輪發電機組。鋼架雙排柱懸吊結構、燃煤、固態排渣。

經測試，鍋爐NOx的原始排放可達到350 mg/Nm3，改造前鍋爐的脫硝技術采用SNCR脫硝系統，能夠滿足NOx<200 mg/Nm3的污染物排放標準。SNCR脫硝技術是將NH3、尿素等還原劑噴入爐內與NOx進行選擇性反應，無需催化劑輔助催化，但必須在合適的溫度區間加入還原劑。還原劑噴入爐膛的最佳工作溫度區域為850～1 150 ℃，此時還原劑(如尿素)能迅速將煙氣中的NOx還原反應生成N2和H2O。

NH3或尿素還原：NOx的主要反應分別如下為[1]-[3]：

NH3為還原劑的反應：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素為還原劑的反應：NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O

當溫度高于1 150 ℃時，NH3則會被氧化為NO：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

還原劑的反應高效溫度范圍稱為溫度窗。最佳溫度區一般為850～1 100 ℃。當反應溫度過高時，由于氨的分解會使NOx還原率降低，另一方面，反應溫度過低時，氨的逃逸增加，也會使NOx還原率降低。

原脫硝系統的尿素溶液制備系統設置1臺尿素溶解罐，1臺尿素稀釋用除鹽水箱，設置2臺尿素溶液供應泵(1運1備)，向兩臺鍋爐的脫硝供應尿素溶液。

2 存在問題

要達到超低排放要求，需將NOx的排放量從原來的200 mg/m3減小到NOx50 mg/m3。經過對鍋爐現有的運行參數、運行狀況進行分析，需針對以下問題進行具體的改造工作：

(1)風帽結構設計及長期運行磨損等原因導致運行一次風量偏高，不利于分級燃燒控制，同時布風均勻性不佳易導致鍋爐床溫不均。

(2)鍋爐給煤方式為后墻給煤，目前存在不同給煤線之間容易發生給煤不均的現象；

(3)脫硝系統的公用部分設計不夠合理；公用系統現為母管制，運行過程中發現存在兩臺鍋爐的尿素溶液流量互相干擾的問題；

(4)現有的SNCR噴槍型式較為老舊，噴射混合效率不高而導致還原效率低下，同時噴槍安裝方式和數量不夠合理。

3 煙氣脫硝改造方案

脫硝優化提效改造工程擬通過SNCR系統升級改造、鍋爐改造并配合燃燒優化調整試驗，從而實現氮氧化物超低排放、降低爐膛溫度、減輕磨損、提高鍋爐效率、降低風機電耗、延長鍋爐運行周期等技術目標。主要工作內容具體如下：

(1)一次風布風裝置改造；

(2)SNCR脫硝系統升級改造。

3.1 鍋爐一次風布風裝置改造

鍋爐設計的布風板一次風為總風量的50%，設計布風板阻力為5 kPa。目前燃用褐煤，根據褐煤高揮發分特點，布風板一次風率可以降低至40%。但降低布風板一次風率時布風板風帽阻力隨之降低，將會加劇風帽磨損后已存的布風不均勻性從而引起床溫偏差擴大。床溫偏差過大意味著爐內受熱面傳熱偏差大。因此，為了實現良好的布風效果，提高一次風的穿透能力，達到減少流化風量、降低床溫、提高床溫均勻性，從而實現降低氮氧化物原始排放的目的，需要對一次風布風板風帽進行改造。

遼寧某熱電廠440 t/h CFB鍋爐的原風帽為大鐘罩風帽，風帽橫向間距270 mm，縱向間距270 mm，風帽外緣? 159 mm，風帽凈間距為111 mm。風帽高度145 mm，風帽出風孔為8孔?22，風帽內腔直徑?103，風帽底孔為M72×3螺紋，帽孔處風帽壁厚為28 mm。原風帽接管分為兩段：下段?76×8內徑?60，上端帶M72×3外螺紋與風帽底孔配合；上段為?68×5管內徑58 mm，并在上端開有兩排孔，每排8個孔均為?15通風直徑。安裝時將兩段接管插在一起，通過螺紋旋在風帽底孔部，旋轉至上段管頂在帽體內腔的頂部為止。原有的這種風帽更換困難、頭部易燒損、帽孔處易磨損、帽體間易發生對吹磨損。從運行參數看，目前布風板阻力偏低，一次風經過風帽后穿透能力偏差，對物料擾動不夠，換熱換值不能達到正常運行需要，這也是導致床溫不均勻的問題之一。

針對遼寧某熱電廠440 t/h循環流化床鍋爐風帽布風不均勻的問題，對風帽進行了改造，將外罩小孔區域進行了加厚，以提高其耐磨性和使用壽命。將風帽外罩風孔向下傾斜15°，減少相鄰風帽風孔的擾動，減少床料反竄；風帽芯管上端部利用端板焊死，防止風帽脫落從芯管漏渣，便于安裝施工。風帽出風孔為10孔，開孔為長條形，由2個直徑14 mm的半圓和和一個邊長15 mm長方形組成，芯管在上端開有兩排孔，每排8個孔均為Φ13.7 mm通風直徑。

改造后，在10萬風量下，布風板熱態阻力(200 ℃)約為2 kPa，150 000 Nm3/h風量下布風板熱態阻力(200 ℃)約為4.2 kPa。同時，改造后一次風布風板的臨界流化風量降低至約70 000 Nm3/h。

因此，改造后鍋爐布風均勻性提升，臨界流化風量減小，可以實現運行中一次風量可進一步下降，為鍋爐低氮燃燒奠定了基礎。

3.2 SNCR脫硝系統升級改造

針對脫硝公用系統設計不合理、噴槍安裝方式和數量不夠合理對現有的SNCR脫硝系統進行脫硝升級改造，其中主要內容為改造噴射系統、尿素供應系統和氨逃逸表。

通過SNCR系統升級改造，計劃將NOx的排放量由200 mg/Nm3降至約40 mg/Nm3，從而實現氮氧化物超低排放。

3.2.1 噴射系統

噴射系統，是保證脫硝效率的關鍵。噴入的尿素必須與煙氣中的NO充分混合才可以發揮較好的選擇性還原NO的效果，但如果混合時間太短，或者混合不充分，就會降低反應的選擇性，從而降低脫硝效率。為達到設計脫硝效率，必須使用高效脫硝噴槍噴槍，并在合理設計脫硝噴槍位置的基礎上增加噴槍數量。具體方案為：

拆除原有噴槍，在每個分離器設置8支高效噴槍：

具體布置方式為分離器入口內測3支噴槍、外側5支噴槍。

單只噴槍最大出力為120 L/h。每臺鍋爐共計16支，兩臺鍋爐共計32支高效噴槍。

3.2.2 尿素供應系統

兩臺爐的尿素溶液供應系統采用母管制形式，實際運行中存在兩臺鍋爐互相干擾的問題。因此，本次改造計劃改為單元制供應尿素溶液。

改造方案為：增加尿素泵和稀釋水泵各2臺，并對相應管道進行調整，從母管制運行變為單元制運行。

3.3 鍋爐燃燒優化調整

由于鍋爐布風均勻性提升，一次風量可進一步下降，為鍋爐低氮燃燒奠定了基礎。在高負荷時對鍋爐進行了燃燒調整，分別對鍋爐氧量、上下二次風開度、爐內石灰石噴入量等參數進行了優化。試驗結果說明，當370 t/h負荷工況下，當爐內氧量控制在2%左右，一次風量110 000 Nm3/h，下二次風開度50%，上二次風開度100%，尿素溶液(濃度40%)耗量約500 kg/h時，NOx最終排放可控制50 mg/Nm3(6% O2標態折算后)以下。

4 結束語

鍋爐局部床溫偏高是發生NOx急劇增加現象的根本原因。因此，通過改造鍋爐布風裝置改變床溫不均勻的現象，然后結合通過對SNCR系統進行升級改造和燃燒優化調整，使得噴入的尿素與煙氣中的NO可以充分混合，提高了脫硝效率，從而使遼寧某電廠440 t/h CFB鍋爐的NOx的排放值由200 mg/Nm3降至約40 mg/Nm3，從而實現氮氧化物的超低排放，達到了國家最新的排放要求，完成電廠預期的環保改造目標。